c++ stl之stack和queue的底层原理及其模拟实现

于 2023-01-10 17:27:02 发布
阅读量587 收藏
点赞数 1
CC 4.0 BY-SA版权
文章标签： c++ 开发语言 后端 数据结构
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_54626677/article/details/128630969
本文详细介绍了C++ STL中的stack和queue的使用及模拟实现，探讨了它们的底层结构，特别是选择了deque作为默认容器的原因。同时，也讨论了priority_queue的使用和模拟实现，强调了在自定义类型中重载比较操作符的重要性。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

目录

一、stack的使用

在这里插入图片描述

二、stack的模拟实现

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once
#include<vector>
#include<list>


//适配器模式
namespace sk
{
	template <class T, class Container = deque<T>>
	class stack
	{
	public:
		bool empty()const
		{
			return _con.empty();
		}
		size_t size()const
		{
			return _con.size();
		}
		void push(const T& val)
		{
			_con.push_back(val);
		}
		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}
		const T& top()const
		{
			return _con.back();
		}
	private:
		Container _con;
	};
	void stack_test()
	{
		stack<int> st;
		st.push(1);
		st.push(2);
		st.push(3);
		st.push(4);
		while (!st.empty())
		{
			cout << st.top() << " ";
			st.pop();
		}
		cout << endl;
	}
}

三、queue的使用

在这里插入图片描述

四、queue的模拟实现

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once
#include<vector>
#include<list>
namespace sk
{
	template <class T, class Container = deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		bool empty()const
		{
			return _con.empty();
		}
		size_t size()const
		{
			return _con.size();
		}
		void push(const T& val)
		{
			_con.push_back(val);
		}
		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}
		const T& front()const
		{
			return _con.front();
		}
		const T& back()const
		{
			return _con.back();
		}
	private:
		Container _con;
	};
	void queue_test()
	{
		queue<int> q;
		q.push(1);
		q.push(2);
		q.push(3);
		q.push(4);
		while (!q.empty())
		{
			cout << q.front() << " ";
			q.pop();
		}
		cout << endl;
	}
}

五、priority_queue的使用

函数声明接口说明
priority_queue()/priority_queue(first,last)构造一个空的优先级队列
empty( )检测优先级队列是否为空，是返回true，否则返回false
top( )返回优先级队列中最大(最小元素)，即堆顶元素
push(x)在优先级队列中插入元素x
pop()删除优先级队列中最大(最小)元素，即堆顶元素

【注意】

  1. 默认情况下，priority_queue是大堆。
    示例代码：
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional> // greater算法的头文件
void TestPriorityQueue()
{
// 默认情况下，创建的是大堆，其底层按照小于号比较
vector<int> v{3,2,7,6,0,4,1,9,8,5};
priority_queue<int> q1;
for (auto& e : v)
q1.push(e);
cout << q1.top() << endl;
// 如果要创建小堆，将第三个模板参数换成greater比较方式
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
cout << q2.top() << endl;
}
  1. 如果在priority_queue中放自定义类型的数据，用户需要在自定义类型中提供> 或者< 的重载。
    示例代码：
class Date
{
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
bool operator<(const Date& d)const
{
return (_year < d._year) ||
(_year == d._year && _month < d._month) ||
(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);
}
bool operator>(const Date& d)const
{
return (_year > d._year) ||
(_year == d._year && _month > d._month) ||
(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);
}
friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
return _cout;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
void TestPriorityQueue()
{
// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载
priority_queue<Date> q1;
q1.push(Date(2018, 10, 29));
q1.push(Date(2018, 10, 28));
q1.push(Date(2018, 10, 30));
cout << q1.top() << endl;
// 如果要创建小堆，需要用户提供>的重载
priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> q2;
q2.push(Date(2018, 10, 29));
q2.push(Date(2018, 10, 28));
q2.push(Date(2018, 10, 30));
cout << q2.top() << endl;
}

六、priority_queue的模拟实现

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
#include<assert.h>
using namespace std;
namespace sk
{
	//仿函数
	template <class T>
	struct lesser
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x < y;
		}
	};

	template <class T>
	struct greater
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x > y;
		}
	};

	//特化
	template <>
	struct lesser<char>
	{
		bool operator()(const char& x, const char& y)
		{
			return x > y;
		}
	};
	template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = lesser<T>>
	class priority_queue
	{
		Compare com;
		void adjust_up(size_t child)
		{
			size_t parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				if (com(_con[parent] , _con[child]))
				{
					swap(_con[parent], _con[child]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2 ;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}
		void adjust_down(size_t parent)
		{
			size_t child = parent * 2 + 1;
			while (child < _con.size())
			{
				if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child] , _con[child + 1]))
				{
					child++;
				}
				if (com(_con[parent] , _con[child]))
				{
					swap(_con[parent], _con[child]);
					parent = child;
					child = parent * 2 + 1;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}
	public:
		priority_queue()
		{}

		template<class Inputiterator>
		priority_queue(Inputiterator first, Inputiterator last)
			:_con(first, last)
		{
			//建堆
			for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)
			{
				adjust_down(i);
			}
		}
		void push(const T& val)
		{
			_con.push_back(val);
			size_t child = _con.size() - 1;
			adjust_up(child);
		}
		void pop()
		{
			assert(!empty());
			swap(_con.front(), _con.back());
			_con.pop_back();
			adjust_down(0);
		}
		const T& top()const
		{
			return _con.front();
		}
		bool empty()const
		{
			return _con.empty();
		}
		size_t size()const
		{
			return _con.size();
		}
	private:
		Container _con;
	};
	void priority_queue_test1()
	{
		//priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq;//小堆
		std::vector<int> v = { 8,1,5,9,7,4,1,3,5,48,65,6,4,5 };
		priority_queue<int> pq(v.begin(), v.end());//默认大堆
		pq.push(1);
		pq.push(3);
		pq.push(4);
		pq.push(5);
		pq.push(2);
		while (!pq.empty())
		{
			cout << pq.top() << " ";
			pq.pop();
		}
		cout << endl;
	}
	void priority_queue_test2()
	{
		//priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq;//小堆
		std::vector<char> v = { 'a','f','d','v' };
		priority_queue<char> pq(v.begin(), v.end());//默认大堆
		pq.push('q');
		pq.push('w');
		pq.push('e');
		pq.push('r');
		pq.push('t');
		while (!pq.empty())
		{
			cout << pq.top() << " ";
			pq.pop();
		}
		cout << endl;
	}
}

七、容器适配器

7.1 什么是适配器

适配器是一种设计模式(设计模式是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结)，该种模式是将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口.

7.2 STL标准库中stack和queue的底层结构

虽然stack和queue中也可以存放元素，但在STL中并没有将其划分在容器的行列，而是将其称为容器适配器，这是因为stack和队列只是对其他容器的接口进行了包装，STL中stack和queue默认使用deque，比如：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

7.3 deque的简单介绍

7.3.1 deque的原理介绍

deque(双端队列)：是一种双开口的"连续"空间的数据结构，双开口的含义是：可以在头尾两端进行插入和删除操作，且时间复杂度为O(1)，与vector比较，头插效率高，不需要搬移元素；与list比较，空间利用率比较高。
deque并不是真正连续的空间，而是由一段段连续的小空间拼接而成的，实际deque类似于一个动态的二维数组。
双端队列底层是一段假象的连续空间，实际是分段连续的，为了维护其“整体连续”以及随机访问的假象，落在了deque的迭代器身上。因此deque的迭代器设计就比较复杂。

7.3.2 deque的缺陷

与vector比较，deque的优势是：头部插入和删除时，不需要搬移元素，效率特别高，而且在扩容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率是必vector高的。
与list比较，其底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外字段。
但是，deque有一个致命缺陷：不适合遍历，因为在遍历时，deque的迭代器要频繁的去检测其是否移动到某段小空间的边界，导致效率低下，而序列式场景中，可能需要经常遍历，因此在实际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list，deque的应用并不多，而目前能看到的一个应用就是，STL用其作为stack和queue的底层数据结构。

7.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

stack是一种后进先出的特殊线性数据结构，因此只要具有push_back()和pop_back()操作的线性结构，都可以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以；queue是先进先出的特殊线性数据结构，只要具有push_back和pop_front操作的线性结构，都可以作为queue的底层容器，比如list。但是STL中对stack和
queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：

  1. stack和queue不需要遍历(因此stack和queue没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行操作。
  2. 在stack中元素增长时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。

结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。

评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

个

红包个数最小为10个

元

红包金额最低5元

当前余额3.43元 前往充值 >
需支付：10.00元
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付元
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明：

1.余额是钱包充值的虚拟货币，按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载，可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值